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2019年8月24日
[本篇訪問: 11131]
現代工程與應用科學學院朱嘉教授課題組在光-蒸汽轉化領域取得新進展:仿生睡蓮葉結構用于高效穩定的高濃污水處理

伴隨著人口迅速增長和日益嚴重的水污染問題,如何緩解水資源短缺壓力、有效處理廢水已成為全球亟需解決的問題。人們發展了諸多水處理技術 ,以緩解這些問題,如反式滲透膜、超濾膜技術等。然而目前對于處理高濃鹽水(大于7%鹽度)或者污水依舊未有高效廉價的方法。對于被廣泛使用的膜處理技術,高濃鹽水、污水的處理過程對膜的損傷極大;濃縮/結晶法需消耗大量能量。因此尋找新的高效、穩定、廉價的處理高濃海水、污水的方法是當前備受關注的議題之一。近幾年來,界面太陽能蒸汽技術由于其低碳環保,無需額外能量輸入等特點給海水淡化、污水處理提供了新的可能。然而,在處理高濃鹽水、污水過程中,器件結鹽結垢問題嚴重,這會嚴重遮擋太陽光的吸收、阻礙水的充足供應,使得光熱轉化效率衰減迅速,甚至導致器件的失效。

針對這一問題,朱嘉教授課題組受睡蓮葉片結構啟發,設計了一種多級結構(Water-lily-inspired Hierarchical Structure, WHS)的光熱-蒸汽轉化器件,在處理10 wt%的高濃鹽水和30 wt%的污水時,可實現80%的光熱轉化效率。更值得一提的是,在處理高濃鹽水和污水直至蒸發完全(即“零排放”)的過程中,光熱轉化效率并未出現明顯的下降,且表面依舊可以保持潔凈。該工作以《A Water-lily-inspired Hierarchical Design for Stable and Efficient Solar Evaporation of High Salinity Brine》為題發表在Science Advances上 (DOI: 10.1126/sciadv.aaw7013) 。

如圖1A, B所見,自然界中的睡蓮葉片有著十分有趣的結構。首先葉片的表面可以吸收太陽光,且其上分布著充足的用來逸散蒸汽的氣孔。同時它的表面是疏水的,能夠有效的自清潔。其次,睡蓮葉片內部由許多空心腔室,使得整個葉片可以自然的漂浮于水面之上。最后,睡蓮葉片和細長的根莖相連,可以通過根莖給整個葉片提供充足的水供應。

圖1. 受睡蓮葉啟發的多級結構(WHS)器件設計圖。A和B分別是睡蓮葉和WHS器件的示意圖。它們有著共同的特點:疏水上表層吸收太陽光,并為蒸汽逸散提供氣孔;葉片內的氣體腔室可以提供更大浮力讓葉片漂;根莖可以提供局域的水通道,減少傳導熱損失。C展示了薄層水夾于吸收體和底座之間的微米級示意圖。D圖展示了吸收體上的納米結構對于光吸收的影響。E圖展示了吸收體表面分子鏈尺度的修飾,使樣品表面疏水。

研究團隊設計的WHS器件包括了一個頂部的太陽光吸收體和一個底座,它們和睡蓮葉片有著相似的特性(圖1B)。如圖1C所示,頂部的吸收體和睡蓮葉的表面一般,具有豐富的微米孔道結構,像人工“氣孔”一般,給蒸汽提供有效逸散的孔道。吸收體表面有許多納米級的突起(圖1D),可以有效地捕獲太陽光,同時也為表面的疏水特性提供結構基礎 (1E)。仿照葉片內的腔室結構,研究者在泡沫銅下方安裝了一個帶孔道的聚苯乙烯底座,使得整個裝置可以漂浮在水上。聚苯乙烯底座具有很低的熱導(<0.04 W m-1 K-1),可以抑制熱向水體的擴散。最后如同睡蓮葉片的根莖一樣,采用準一維的通道(聚苯乙烯底座內的局域的孔道)進行水供應。

當WHS器件處理鹽水和污水時,水會從底座中的孔道進入。由于頂層的吸收體兩面是疏水的,水不會進入吸收體的內部,而是會夾在吸收體和底座中的薄層空間內。這一層薄層的水是實現穩定、高效地處理濃鹽水的關鍵。太陽能被吸收體吸收轉化為熱能后局域在薄水層中,實現如同界面加熱一般高效的光熱-蒸汽轉化。同時,由于蒸發發生在頂部吸收體的下表面,隨著水的蒸發,鹽和溶質不會在上表面析出,而是向下排出,通過底座的孔道擴散到底部的塊體水中。

研究團隊對此WHS器件進行光-蒸汽轉化的性能測試。對于純水,10 wt%鹽水,30 wt%的污水,WHS器件分別有著79.8%,78.5% 和77.2%的光熱轉化效率,及 1.31 kg m-2 h-1, 1.28 kg m-2 h-1 和 1.27 kg m-2 h-1 的蒸汽產出量。在處理10 wt%濃鹽水過程中,研究者將其與傳統吸收體進行對比實驗。在一個太陽下,利用WHS器件進行水處理,器件表面可持續保持潔凈(圖2A上),且其蒸發量一直保持在持續較高的水平(圖2B)。而對于傳統吸收體,鹽逐漸在表面析出(圖2A下),阻礙了太陽光的吸收,故而其蒸發量亦逐漸下降(圖2B)。而在相同條件下,通過計算可得,WHS器件8小時內的平均蒸發量是1.39 kg m-2 h-1,比傳統吸收體的平均蒸發量,0.97 kg m-2 h-1高出約1.4倍。

圖2 . WHS器件和傳統吸收體在處理鹽水(起始濃度為10 wt%)的表面光學照片A) 及水蒸發性能曲線B)。

WHS器件在處理鹽水或者污水時,能實現固液體的完全分離。如圖3A和3B所示,當WHS器件漂浮在鹽水(污水)表面時,隨著水逐漸蒸發,WHS器件逐步下移,直至將水完全蒸發留下鹽或者溶質。值得一提的是,在此過程中,WHS器件表現出持續穩定的水蒸發效率,且表面并未有污染(鹽或溶質的析出)。此過程中WHS器件表面照片展示在圖3A和3B中的第二列插圖處。當水完全蒸發后,留下的鹽或溶質可以很容易被取出,如圖3A和3B的右下角插圖所示。

圖3.穩定且高效的光熱蒸汽轉化(實現水和溶質的分離)。A和B分別為太陽能海水淡化和污水處理時每一天的蒸發效率。其中的插圖第一和第二行分別為樣品每天工作時的側視和俯視圖。最右側一列是在完全的固液分離后收集的鹽和金屬溶質樣品。

朱嘉教授課題組14級畢業生徐凝以及16級畢業生李金磊為文章共同第一作者,現工院朱嘉教授為論文的通訊作者,并得到了南京大學祝世寧院士的指導與支持。該研究得到了固體微結構國家實驗室(籌)微加工中心的技術支持, 和國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高;究蒲袠I務費專項基金項目的資助。

(現代工程與應用科學學院 科學技術處)

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